Powstanie osadów wysokotemperaturowych (WT)

Osady tego typu występują na ogół powyżej temperatury spalin ok. 800°C.

Ich charakterystyczne cechy to znaczna wytrzymałość mechaniczna oraz fakt, że występują wyłącznie na części napływowej rury. Dowodzi to, że osad WT powstaje z cząstek poruszających się na skutek działania siły bezwładności po torach zbliżonych do prostoliniowego i napotykających na swej drodze rurę.

Prawdopodobieństwo trafienia rury przez cząstkę T) jest funkcją liczby

gdzie stała C jest zależna od liczby Reynoldsa odniesionej do średnicy cząstki oraz od liczby oporu cząstki [39].

cząstka trafia jeszcze w rurę, i średnicy rury - rys. 5.4, 5.5

Z rys. 5.4 wynika, że po przekroczeniu wartości Stk = 0 , 1 ziarna popiołu lotnego przestają docierać do powierzchni rury, co pozwala na obliczenie minimalnej średnicy cząstek tworzących oSad. Przekształcając (5.1) pi‘zy złożeniu Stk =0,1, uzyskuje się

spływowej części rury konieczny byłby postęp w rozwiązaniach teoretycznych

Stokesa

Stk = C (5.1)

Wartość rjpjest stosunkiem wyjściowej współrzędnej cząstki, przy której

(5.3)

Rys. 5. 4. Prawdopodobieństwo zderzenia cząstki z powierzchnią rury w funkcji liczby Stokesa

Fig. 5.4. Probability of the collision between ash particle and tube surface in relation to Stokes number

X/D

Rys. 5.5. Tory cząstek popiołu w funkcji liczby Stokesa Fig. 5.5. Influence of Stokes number upon ash particie trajectories

Przedstawione na rys. 5.6 krzywe d^ = ftw^p^) pozwalają zauważyć, że przy równomiernym składzie ziarnowym wszystkich składników popiołu do rury dociera więcej cząstek o dużej gęstości. Tłumaczy to relatywnie wysoki udział Fe 0.

3 J

(Pp = 5200 kg/m ) w osadzie w stosunku do udziału tego składnika w popiele lotnym.

Jest oczywiste, że struktura ziarnowa osadu musi się zmieniać w zależności od współrzędnej kątowej. Duże ziarna (wysokie wartości Stk) poruszając się prawie prostoliniowo, uderzają w całą powierzchnię napływową rury.

61

Rys. 5.6. Minimalna średnica ziaren popiołu uderzających w rurę w funkcji prędkości spalin 1 gęstości ziarna

Fig. 5.6. Influence of flue gas velocity and fly ash density on the minimal diameter of particles reaching tube surface

Plastyczne, nie ulegające odbiciu cząstki popiołu mogą wówczas pokrywać rurę w zakresie współrzędnych f bliskich II/2. W przypadku małych ziaren (niskie wartości Stk) Jedynie niewielka ich część poruszająca się w pobliżu osi symetrii napływu trafia w rurę. Można założyć, że cząstka padając na rurę tylko wówczas będzie do niej trwale przylegała, gdy istnieć będzie promie­

niowa składowa jej prędkości w momencie zetknięcia się z rurą. Im mniejsze cząstki, tym bardziej ich tor ulega zakrzywieniu, dając mniejszy zasięg osadu na powierzchni rury. Ze wzoru (5.2) wynika

<p = arcsin rj , (5.4)

Transport cząstek do powierzchni rury intensyfikuje w pewnym stopniu siła

Opisany powyżej proces selektywnego osadzania się cząstek na rurze powoduje powstawanie osadów o przekroju zbliżonym do trójkątnego. W momencie zetknięcia się z powierzchnią rury lub już istniejącego osadu cząstka dostaje się w obszar działania sił adhezji Van der Waalsa [29]

Ad

F = E '

hVW 6S2 • (5.6)

gdzie A jest stałą oddziaływania molekularnego, a S odległością między ziarnem a powierzchnią przylegania oraz sił elektrostatycznych (jeżeli cząstka posiada nieskompensowany ładunek w stosunku do powierzchni osiadania)

[29]

4IIq2

Fe = — . (5.7)

gdzie q jest ładunkiem cząstki w momencie kontaktu z powierzchnią, a S polem powierzchni kontaktu.

Aby cząstka przylgnęła do rury, siły adhezji muszą pokonać siłę sprężystego odbicia [75]

F = Kd2 w^ 5 , (5.8)

S p p

gdzie K jest współczynnikiem proporcjonalności zależnym od sprężystości cząstki i powierzchni kontaktu.

Osady WT osiągać mogą znaczne rozmiary, ponieważ w wysokich temperaturach spalin duże cząstki popiołu lotnego są w stanie plastycznym i odwrotnie niż to ma miejsce w niższych temperaturach, nie tylko nie erodują osadu, lecz stanowią jego zasadniczy budulec. W tej sytuacji rozrost osadów ograniczony jest jedynie przez siłę grawitacji oraz naturalne ubytki spowodowane wibracjami pęczka i dylatacją w różnych fazach eksploatacji. Skład chemiczny osadów WT znacznie odbiega od składu tworzącego je popiołu lotnego.

Spowodowane to jest różną adhezyjnością składników popiołu oraz późniejszymi

63

-przemianami chemicznymi w osadzie, w tym również dyfuzją żelaza ze ścianek rury do osadu. Skłonność cząstek do osadzania się na rurze rośnie w miarę obniżania się ich temperatury topnienia. W związku z tym osady WT powstają głównie z ziaren popiołu lotnego o niskiej temperaturze topnienia. Tłumaczy to wyższy w osadzie niż w popiele lotnym udział siarczanów, siarczków, tlenków żelaza, a w kotłach olejowych związków wanadu rys. 5.7.

kompleksowe siarczany

______ siarczany siarczki _

________ tlenki___________ _ związki wanadu

krzemiany________

600 800 1000 1200 1400 K 1600

Rys. 5.7. Podstawowe materiały wiążące w osadach popiołu Fig. 5.7. Basic strengthening components in deposits

Jako wskaźnik skłonności do tworzenia osadów przyjąć można stosunek udziałów topników i składników trudno tdpliwych [92]:

Fe 0 + CaO + MgO + Na 0 + K O

c = _ (5 ₉)

Si02 + a i2 0 3 ♦ T 1 0 2

Wartości c^ dla osadów zalegających w wysokotemperaturowej strefie kotła rosną z czasem, co dowodzi, że struktura zanieczyszczeń stopniowo ulega przekształceniu w kierunku związków o silnych własnościach wiążących.

Umocnienie osadów WT wiąże się z postępującą zmianą składu chemicznego na skutek reakcji prowadzących do powstania łatwo topliwych i silnie spiekających się substancji.

Proces spiekania polega na reakcjach pod działaniem wysokich temperatur nie osiągających jednak temperatury topnienia. W takich warunkach następuje dyfuzja składników pomiędzy przylegającymi do siebie cząstkami sypkiego osadu.

Początkowo procesy dyfuzyjne zachodzą jedynie na powierzchni, lecz w miarę wzrostu temperatury zaczyna się dyslokacja cząstek do defektów sieci krystalicznej przy jednoczesnym powstawaniu nowych luk. Przebieg procesu spiekania określa się za pomocą stosunku ag bezwzględnych temperatur cząstki i jej punktu topnienia [35]

a = T/T_ . (5.10)

S o

Badając osady pobrane z powierzchni konwekcyjnych krajowych kotłów, stwierdzono, źe dające się zauważyć umocnienie osadów na skutek spiekania pojawia się przy ag = 0,7 i narasta w miarę wzrostu ag.

Stwierdzono, że intensywność procesów adhezyjnych wzrasta szybko ze spadkiem rozmiarów cząstek osadu, zależąc przy tym w znacznym stopniu od jego składu chemicznego. Należy jednocześnie zauważyć, że analizy składu chemicznego osadów dostarczają jedynie informacji o ich chwilowym stanie, obserwuje się tu bowiem zmienność w czasie.

Dodatkowym czynnikiem umacniającym osady jest nadtapanie łatwo topliwych składników popiołu oraz eutektyk o niskiej temperaturze topnienia, które tworzą w osadzie szkliste mostki.

Duże znaczenie ma dyfuzja żelaza ze ścianki rury oraz stopniowy wzrost zawartości siarczanów i siarczków. Oba te zjawiska obserwuje się powszechnie w przypadku kotłów opalanych paliwami zawierającymi siarkę [35] i [84].

Powstałe związki charakteryzują się niskimi temperaturami topnienia, np.

Na_K_Fe„(S0 ) - 552°C, Na_SO. - 884°C, K.S - 840°C, eutektyka MgSO. - Na„S0,

3 3 2 4 6 2 4 2 4 2 4

- 670°C [38].

W zależności od temperatury materiały wiążące w osadach popiołu pobrane z różnych miejsc kotła oraz różne warstwy tego samego osadu mogą się znacznie różnić składem chemicznym.

Zanieczyszczenia wysokotemperaturowe wykazują wyraźną strukturę warstwową.

Spowodowane to jest stopniowym wzrostem temperatury powierzchni narastającego osadu, co powoduje daleko Idące zmiany w procesie osiadania popiołu lotnego.

Po przekroczeniu przez zewnętrzną powierzchnię zanieczyszczeń temperatur mięknięcia popiołu może następować nalepianie się płynnych cząstek (żuźlowa- nie), co obserwuje się czasem na przegrzewaczach grodziowych.

Należy nadmienić, że pojęcie “temperatury mięknięcia popiołu" jest znacznym uproszczeniem, ponieważ popiół składa się ze związków i ich mieszanin o silnie zróżnicowanych temperaturach topnienia - od ok. 550°C do ok. 1550°C. W związku z tym w kolejnych warstwach osadu powyżej temperatury ok. 550°C mogą występować składniki płynne o różnych własnościach.

65